CN109148317B - 用于激光裂片技术制备soi硅片的机台 - Google Patents

用于激光裂片技术制备soi硅片的机台 Download PDF

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Abstract

一种用于激光裂片技术制备SOI硅片的机台，包括基座，所述基座上从左向右依次装有裂片箱、加热箱、晶盘，所述晶盘固定于送料盘上，所述加热箱内安装有保温管，所述保温管内套有炉管，所述炉管的左端固定有激光发射头，所述加热箱的顶端安装有冷却设备。其有益效果是：使用激光加热方式裂片可以消除氢离子注入层带来的晶格缺陷、金属夹杂、清除表面吸附物质、改善表面粗糙度及生产效率较高。

Description

用于激光裂片技术制备SOI硅片的机台
技术领域
本发明涉及半导体材料制备技术领域，具体涉及一种用于激光裂片技术制备SOI硅片的机台。
背景技术
一九八零年，IBM发展应用氧离子直接注入法(Separation by ImplantationOxygen,SIMOX)来发展制作SOI材料。该制程需要植入非常高剂量的氧离子(约5×1018/cm2)，虽然经过高温退火处理形成二氧化硅层，并以再洁净的方式消除大部分的缺陷，但仍然无法使因注入离子而造成的缺陷全部消除。到一九九二年，法国一家以研究为导向的公司Commossariat A l’Energie Atomique使用一种薄膜转移的技术，即智切法(SmartCut)，能成功地将硅单晶的薄膜转移至另一个硅基板上。此制程首先将氢离子注入于一片已生成氧化层的硅晶圆中，再与另一片硅晶圆进行键合。经高温退火处理时，注入的氢离子获得动能，而聚合成氢分子填充微裂缝中，所形成氢分子不能再以扩散离开裂缝，依PV＝nRT原理，氢分子数目快速扩大，使裂缝内压力上升，进而使微裂缝扩张形成裂缝平板及聚集成大面积裂孔，最后使得元件晶圆上下层剥离，产生薄膜并转移至基材晶圆上，形成SOI结构。
TM制程是通过注入低剂量(1E16-1E17/cm2)的H+到达硅片一定深度，再通过微波加热的方式，使硅片中的H+聚集成H2达到裂片的目的。
所谓微波裂片是指以微波辐射代替传统的热源，硅片对微波能量的吸收达到一定的温度，从而使H+聚集成H2达到使硅片裂开的效果。由于它与注氧隔离技术相比较，得到的SOI属于不同的方法，所以微波裂片技术逐渐得到更广泛的应用。但针对微波裂片这个过程，每次只能单独对一片硅片操作，同时对温度不能根据需要精确化的控制和调节，又由于只能单片进行操作，生产效率较低。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种用于激光裂片技术制备SOI硅片的机台。具体设计方案为：
一种用于激光裂片技术制备SOI硅片的机台，包括基座，所述基座上从左向右依次装有裂片箱、加热箱、晶盘，所述晶盘固定于送料盘上，所述加热箱内安装有保温管，所述保温管内套有炉管，所述炉管的左端固定有激光发射头，所述加热箱的顶端安装有冷却设备。
所述保温管通过传动轴承固定于所述基座上，所述保温管可以沿左右方向滑动，
所述晶盘的右侧嵌入所述送料盘中，所述晶盘沿前后方向的垂直截面呈半圆形结构。
所述送料盘为圆形金属盘，所述送料盘嵌入所述加热箱中，所述送料盘的左端嵌入所述炉管中，所述送料盘与所述炉管闭合后通过密封圈密封连接。
所述送料盘通过滑道固定于基座上，所述送料盘可以沿所述滑道的轴向方向左右运动。
所述激光发射头所发射的扫描激光光斑的斑径为0.5mm-2mm，扫描激光功率为100mw-100w，裂片时间为10-30s，扫描激光的扫描路径为硅片的径向方向，扫描入射角度为45°-135°，扫描次数为8-28次，扫描温度为100℃-350℃，扫描激光光源为DPSS型激光源，采用YLF光源质，所述激光发射头的数量为多个。
所述炉管采用316L板材成型件，所述炉管与保温管之间设有隔热填料，所述炉管内设有多个测温点。
所述冷却设备为气冷装置、水冷装置中的一种，
所述气冷装置为氮气气冷装置，氮气压力为4kfg/c㎡,氮气注入量为60L/min；
所述水冷装置的水压为2-6kfg/c㎡，水温为16-18±1℃。
所述基座为箱式基座，所述保温管、激光发射头、裂片箱、冷却设备的功能组件；所述传动轴承、滑道的驱动组件均位于所述基座的箱式结构内。
通过本发明的上述技术方案得到的用于激光裂片技术制备SOI硅片的机台，其有益效果是：
使用激光加热方式裂片可以消除氢离子注入层带来的晶格缺陷、金属夹杂、清除表面吸附物质、改善表面粗糙度及生产效率较高。
附图说明
图1是本发明所述激光裂片技术制备SOI硅片的机台的结构示意图；
图2是本发明所述SOI硅片的制备原理图；
图3是本发明所述激光裂片技术制备SOI硅片的机台进行裂片后的SOI硅片表面示意图；
图4是本发明所述微波裂片后SOI硅片表面示意图；
图中，1、基座；2、裂片箱；3、加热箱；4、晶盘；5、送料盘；6、保温管；7、炉管；8、激光发射头；9、传动轴承；10、滑道；11、冷却设备。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述。
图1是本发明所述激光裂片技术制备SOI硅片的机台的结构示意图，如图1所示，一种用于激光裂片技术制备SOI硅片的机台，包括基座1，所述基座1上从左向右依次装有裂片箱2、加热箱3、晶盘4，所述晶盘4固定于送料盘5上，所述加热箱3内安装有保温管6，所述保温管6内套有炉管7，所述炉管7的左端固定有激光发射头8，所述加热箱3的顶端安装有冷却设备11。
所述保温管6通过传动轴承9固定于所述基座1上，所述保温管6可以沿左右方向滑动，
所述晶盘4的右侧嵌入所述送料盘5中，所述晶盘4沿前后方向的垂直截面呈半圆形结构。
所述送料盘5为圆形金属盘，所述送料盘5嵌入所述加热箱3中，所述送料盘5的左端嵌入所述炉管7中，所述送料盘5与所述炉管7闭合后通过密封圈密封连接。
所述送料盘5通过滑道10固定于基座1上，所述送料盘5可以沿所述滑道10的轴向方向左右运动。
所述激光发射头8所发射的扫描激光光斑的斑径为0.5mm-2mm，扫描激光功率为100mw-100w，裂片时间为10-30s，扫描激光的扫描路径为硅片的径向方向，扫描入射角度为45°-135°，扫描次数为8-28次，扫描温度为100℃-350℃，扫描激光光源为DPSS型激光源，采用YLF光源质，所述激光发射头8的数量为多个。
所述炉管7采用316L板材成型件，所述炉管7与保温管6之间设有隔热填料，所述炉管7内设有多个测温点。
所述冷却设备为气冷装置、水冷装置中的一种，
所述气冷装置为氮气气冷装置，氮气压力为4kfg/c㎡,氮气注入量为60L/min；
所述水冷装置的水压为2～6kfg/c㎡，水温为16～18±1℃。
所述基座1为箱式基座，所述保温管6、激光发射头8、裂片箱2、冷却设备11的功能组件；所述传动轴承9、滑道10的驱动组件均位于所述基座1的箱式结构内。
实施例1
将晶片放在晶盘4上；
启动滑道10，通过送料盘5将晶盘4送入炉管7中；
所述送料盘5的边缘与炉管7闭合，实现密封；
传动轴承9驱动保温管6向右移动，所述炉管7嵌入所述保温管6中；
对保温管6功能，通过所述保温管6对炉管7进行一次加热；
传动轴承9驱动保温管6向左移动，所述保温管6与炉管7脱离；
对激光发射头8进行功能，实现二次加热，在高温状态下实现激光裂片；
启动冷却设备11，在裂片作业完成后对炉管7进行降温；
启动滑道10，通过送料盘5传动使晶盘4向右移动；
取出晶片，完成作业。
实施例2
图2是本发明所述SOI硅片的制备原理图，如图2所示，取一片8寸P型硅片，其晶向选择可以是<100>或<111>，电阻率选择为轻掺杂到高阻。
硅片一侧表面上进行氧化(或两片均可氧化，按实际工艺条件来做)，获得带有氧化层的硅片(二氧化硅作为SOI的BOX层)，氧化采用常规工艺，制备的氧化层(氧化硅)厚度为>0-1000nm；制备的带有氧化层的硅片依次采用SC1、SC2清洗，去除硅片表面污染物，然后使用测试设备测试硅片表面颗粒情况、使用测试设备测试氧化硅的厚度及其他各项参数(比如氧化硅层的颗粒，电学参数)，选择符合要求的硅片用于步骤
将带有氧化层的硅片进行注入低剂量的氢离子，注入剂量为1e15～1e18之间，注入深度按照需求来做(一般深度>0-1000nm)。
选择一片8寸硅片(bare wafer)，其电阻率和晶向根据需求选取，依次进行DHF、SC1、SC2表面清洗，去除表面自然氧化层及表层可能存在的污染物，使用测试设备测试硅片表面颗粒情况，选择符合要求的硅片备用。
键合工艺：将步骤3中注入氢离子的硅片和步骤4中符合要求的硅片进行键合，键合过程激活时间为0-200S；然后进行低温退火，退火时间在0-8小时之间，退火温度在100-350℃之间控制，退火后获得即获得带有H+注入的键合片。
完成上述步骤后，按照本发明实施例1中所述的作业步骤，对键合片进行激光加热裂片，通过激光加热使硅片表面温度迅速升高，以达到硅片内氢离子聚集达到裂片的目的。
通过步骤6得到优质的8寸SOI，进行后续加工，SOI对片进行回收。
本发明对硅片进行氧化、注入(注入低剂量H+)、键合工艺及低温退火工艺，得到键合的硅片，之后使用激光技术(发射温度低于500℃)对键合片进行裂片。激光作用于硅片表面，使其表面得到热量，注入的H+聚集成气体分子，而后填充于裂缝中形成微氢气泡，随着氢气分子的不断聚集，最后使得氢气层剥离，达到裂片的目的，并形成SOI结构。
实施例3
在实施例1中，采用YAG激光(波长为1.06μm)，激光光斑大小为1mm，激光功率为50w，激光束以垂直于硅片表面的方向对硅片进行扫描，扫描路径为沿硅片直径方向，扫描时间13s，扫描硅片次数为10次(激光匀速沿硅片直径方向进行扫描，从直径一端扫描到另一端计数为扫描一次)，扫描入射角度45°，通过激光加热使硅片表面温度迅速升高，以达到硅片内氢离子聚集达到裂片的目的。
图3是本发明所述激光裂片技术制备SOI硅片的机台进行裂片后的SOI硅片表面示意图；图4是本发明所述微波裂片后SOI硅片表面示意图，如图3、图4所示，与传统微波裂片相比，使用激光加热方式裂片可以消除氢离子注入层带来的晶格缺陷、金属夹杂、清除表面吸附物质、改善表面粗糙度及生产效率较高
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于激光裂片技术制备SOI硅片的机台，包括基座(1)，所述基座(1)上从左向右依次装有裂片箱(2)、加热箱(3)、晶盘(4)，其特征在于，所述晶盘(4)固定于送料盘(5)上，所述加热箱(3)内安装有保温管(6)，所述保温管(6)内套有炉管(7)，所述炉管(7)的左端固定有激光发射头(8)，所述加热箱(3)的顶端安装有冷却设备(11)，所述保温管(6)通过传动轴承(9)固定于所述基座(1)上，所述保温管(6)沿左右方向滑动。
2.根据权利要求1中所述的用于激光裂片技术制备SOI硅片的机台，其特征在于，所述晶盘(4)的右侧嵌入所述送料盘(5)中，所述晶盘(4)沿前后方向的垂直截面呈半圆形结构。
3.根据权利要求1中所述的用于激光裂片技术制备SOI硅片的机台，其特征在于，所述送料盘(5)为圆形金属盘，所述送料盘(5)嵌入所述加热箱(3)中，所述送料盘(5)的左端嵌入所述炉管(7)中，所述送料盘(5)与所述炉管(7)闭合后通过密封圈密封连接。
4.根据权利要求1中所述的用于激光裂片技术制备SOI硅片的机台，其特征在于，所述送料盘(5)通过滑道(10)固定于基座(1)上，所述送料盘(5)可以沿所述滑道(10)的轴向方向左右运动。
5.根据权利要求1中所述的用于激光裂片技术制备SOI硅片的机台，其特征在于，所述激光发射头(8)所发射的扫描激光光斑的斑径为0.5mm-2mm，扫描激光功率为100mw-100w，裂片时间为10-30s，扫描激光的扫描路径为硅片的径向方向，扫描入射角度为45°-135°，扫描次数为8-28次，扫描温度为100℃-350℃，扫描激光光源为DPSS型激光源，采用YLF光源质，所述激光发射头(8)的数量为多个。
6.根据权利要求1中所述的用于激光裂片技术制备SOI硅片的机台，其特征在于，所述炉管(7)采用316L板材成型件，所述炉管(7)与保温管(6)之间设有隔热填料，所述炉管(7)内设有多个测温点。
7.根据权利要求1中所述的用于激光裂片技术制备SOI硅片的机台，其特征在于，所述冷却设备为气冷装置、水冷装置中的一种，
所述气冷装置为氮气气冷装置，氮气压力为4kfg/c㎡,氮气注入量为60L/min；
所述水冷装置的水压为2～6kfg/c㎡，水温为16～18±1℃。
8.根据权利要求1中所述的用于激光裂片技术制备SOI硅片的机台，其特征在于，所述基座(1)为箱式基座，所述保温管(6)、激光发射头(8)、裂片箱(2)、冷却设备(11)的功能组件；所述传动轴承(9)、滑道(10)的驱动组件均位于所述基座(1)的箱式结构内。
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